本报讯：美媒称，史上第一次，一台利用光子构建的量子计算机的表现甚至超越了运算速度最快的经典超级计算机。
据《科学美国人》月刊网站12月3日报道，由中国科学技术大学潘建伟和陆朝阳率领的物理学家团队利用量子计算原型机“九章”，实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解。在线发表在国际学术期刊《科学》上的论文显示，其结果是76个被探测到的光子，这远远超过了先前创下纪录的5个被测光子以及经典超级计算机的运算能力。
光量子干涉实物图。（中国科学技术大学网站）
报道称，与利用硅处理器构建的传统计算机不同，“九章”量子计算机是一个由激光器、反射镜、棱镜和光子探测器组成的精密桌面装置。它不是有朝一日可以发送电子邮件或存储文档的通用型计算机，但它却可以展示量子计算技术的潜力。
算力远超经典计算机
去年，谷歌公司登上新闻头条，其研发的“西克莫”量子处理器耗时约3分钟完成了超级计算机需要1万年才能完成的任务。而中科大团队在其论文中估计，如果用全球排名靠前的超级计算机“神威·太湖之光”来执行“九章”完成的这项运算任务，需要耗时惊人的25亿年。
报道指出，这不过是科学家第二次演示“量子霸权”。这一术语描述的是，在某一时刻，量子计算机在速度上指数级超越任何经典计算机，进而实际上完成其他设备无法完成的计算任务。
这一次不仅证明了原理，有些迹象表明，“高斯玻色取样”可能有实际用途，例如解决量子化学和数学领域中的专门问题。更广泛地说，掌握控制作为量子比特的光子的能力是构建任何大规模量子互联网的先决条件。量子比特类似于在经典计算领域被用来代表信息的比特。
斯科特·阿伦森目前是美国得克萨斯大学奥斯汀校区的理论计算机科学家。2011年，他与当时还是他学生的亚历克斯·阿尔希波夫率先阐述了玻色取样的基本原理。阿伦森称，在许多年的时间里，玻色取样实验一直局限在只能探测到大约3到5个光子的程度上，这与量子霸权“相去甚远”。他说：“扩大规模是很困难的，向他们致敬。”
报道称，在过去几年里，量子计算技术已经从原本的默默无闻一跃发展为一项价值数十亿美元的事业，其对国家安全、全球经济以及物理学和计算机科学基础的潜在影响也得到了承认。2019年，美国《国家量子计划法》被签署成为法律，美国打算未来10年在量子技术领域投资逾12亿美元（1美元约合6.6元人民币）。这一领域也吸引了相当大量的炒作，有人发布不切实际的时间表，有人夸夸其谈地称量子计算机将让经典计算机彻底过时。
技术路线与谷歌不同
报道认为，中科大团队展示量子计算潜力的最新行动至关重要，因为它采用的方法与谷歌公司的方法截然不同。“西克莫”用金属超导环构成量子比特，而在“九章”中，光子本身就是量子比特。陆朝阳说，这进一步独立证实了量子计算原理甚至可以在完全不同的硬件上实现“量子霸权”，“我们因而确信，从长期看，构建有用的量子模拟器和容错量子计算机最终将是可行的”。
为什么量子计算机拥有巨大的潜力？想想著名的双缝实验。在这个实验中，一个光子被射向一面有A和B两条狭缝的屏障。该光子并不穿过狭缝A，也不穿过狭缝B。相反，双缝实验证明，光子处于一种“叠加”状态，即穿过狭缝A和穿过狭缝B这两种可能性的组合。理论上，利用“叠加”等量子特性可以让量子计算机在被用来解决某些特定问题时实现相对于经典计算机的指数级提速。
去年，中科大团队曾演示14光子玻色取样——笔记本电脑很难完成该任务，但超级计算机却能轻易完成。为扩大规模并最终实现量子霸权，他们采用了略微不同的规程，即“高斯玻色取样”。
德国帕德博恩大学的量子光学专家、“高斯玻色取样”的开发者之一克里斯蒂娜·西尔伯霍恩说，设计这项技术是为了避开阿伦森和阿尔希波夫的“香草玻色取样”所使用的不可靠单个光子。
工作复杂性令人生畏
报道指出，西尔伯霍恩承认，即便如此，中科大装置的复杂性仍令人望而生畏。“九章”的运行从一束激光开始，这束激光被分成若干束去打击25个由磷酸氧钛钾制成的晶体。每一个晶体被击中后，它会可靠地向两个相反方向吐出光子。然后这些光子被送入100个输入端，在那里它们快速穿过一条由300个棱镜和75面反射镜组成的路径。最后，这些光子落在100条狭缝中，并在那里被探测到。实验运行的平均时间为200多秒，中科大团队在每次运行中平均探测到大约43个光子。但在有一次运行中，他们观测到76个光子——这足以证明他们声称实现量子霸权是有理由的。
报道称，难以估算超级计算机需要用多长时间来解决76个被测光子的分布问题，一大原因是，用25亿年时间来运行一台超级计算机以进行直接验证并不可行。作为替代，研究人员根据涉及数量较少被测光子时经典计算技术所用运算时间做了推算。研究人员声称，在最顺利的情况下，解决50个光子的分布问题将花掉超级计算机两天时间。
“九章”的名字来自《九章算术》一书，该书是一部影响力堪比欧几里德《几何原本》的中国古代教科书。
